利用波分復用的電力通信網鏈路故障保護算法

李春紅，張 磊

(安徽水利水電職業技術學院 機電工程學院，安徽 合肥 231603)

電力通信網是電力系統的專用通信網絡，在電力生產和經營的整個過程中，承擔著保護電網安全、穩定端口信息交流等重要任務。隨著電網自動化程度的提高和規模的不斷擴大，電力通信網逐漸龐大并復雜，其安全性也越發重要且不可忽視，一旦光連接受損或發生故障，將會造成嚴重的鏈路故障，影響通信業務的進行及電網的安全和穩定，造成極大的不良影響。對電力通信網的故障風險進行評估，采取相應的鏈路故障保護措施，可有效降低風險，提高電力通信網的安全級別。

魏勇等[1]提出一種共享鏈路保護策略，根據故障鏈路具體位置及優先級有針對性地進行頻率重排，同時在轉發器作用下完成業務權重的重新分配并設置約束條件，實現鏈路故障保護；馬凝芳等[2]提出一種故障業務恢復算法，在混合神經網絡的基礎上，建立網絡鏈路定位模型，通過分析報警信息對具體故障鏈路進行定位，針對故障鏈路進行可靠度評估排序，優先選擇排序靠前的鏈路完成故障恢復。但這2種方法在完成故障鏈路保護過程中易出現保護冗余問題，效果并不理想。

為此，本研究提出一種基于波分復用的電力通信網鏈路故障保護算法。在研究過程中針對鏈路的故障保護問題，通過波分復用網絡形態進行深度探究。通過電力通信網絡的鏈路模型計算鏈路可靠度，構建針對波分復用鏈路的故障保護模型，重新分配路由和波長容量，并對模型進行優化，通過虛擬鏈路標記路由，從端點開始執行保護，完成最終的鏈路保護。

1 電力通信網絡鏈路模型可靠性分析

鏈路保護可以提高電力通信系統的可靠性，避免單點故障對整個系統造成影響。當一條鏈路出現故障時，鏈路保護可以自動切換到備用鏈路上，保證通信系統的持續運行。通過對電力通信網絡鏈路模型可靠性分析的研究，可為鏈路保護機制的優化和改進提供依據，提高鏈路保護的效率和可靠性，從而保障電力通信系統的正常運行。

用G(V，E)表示電力通信網絡的模型，其中V表示電力通信網中的節點集合，E表示其中包含的鏈路集合。每條網絡鏈路k(k∈E)都可能會發生故障，對應的概率為fk，這個概率與電力通信網的鋪設以及鏈路類型等多方面環境因素都有關系[3]。通信網中一個源節點s和目標節點d的最短路徑可表示為p(s,d) ,假設s到d之間的最短路徑p有n條，那么路徑可靠度A(s，d)則為s到d的正常傳輸概率，此時的A(s，d)計算公式為

(1)

式中:∏為節點對的對應集合,n為最短路徑的總數。

電力通信網的可靠性主要描述的是其中所有源節點和目標節點對路徑可靠度影響的平均值,此時整個電信網絡的可靠性A(D)計算公式為

(2)

式中,|V|為電力通信網中包含的節點個數。

此時,鏈路對通信網絡可靠度的可信賴貢獻值為該條鏈路在接受保護前后對電力通信網可靠性的增益效果,可使用△(ek)來表示:

(3)

根據公式(3)可具體得出電力通信網絡中所有鏈路對可靠性的實際貢獻值,并獲得一個根據電力通信網絡中貢獻值決定的鏈路重要性關系[4]。

2 波分復用下電力通信網鏈路故障保護算法

2.1 波分復用故障保護

波分復用是一種常見的光通信技術，在光通信系統中扮演著重要的角色。由于波分復用技術的高帶寬傳輸特性，可將多個不同波長的光信號通過一根光纖傳輸，從而實現高速數據通信。電力通信網絡的鏈路故障保護，主要根據故障的相鄰節點進行對應的路由保護選擇，使用波分復用技術可實現全局重配置，當通信網絡發生故障時，無論是正常的還是受損的光連接，均須在一定條件下對執行路由和波長進行重新分配，重分配的結果通過最小的保護容量，完成較為全面的業務恢復率。但這只是理想條件下的保護設想，雖然能完成業務節點和路由分配的靈活重組，但所涉及的計算量是相當龐大且復雜的，變相地延長了網絡恢復的時間，具有一定的時間局限性[5]。

本文算法主要傾向面向鏈路故障的重配置[6]，通過波分復用技術針對受損的通信光連接進行路由和波長的容量分配[7]，而無須考慮正常的光連接，在此基礎上得到網絡生存模型[8]。此模型使用優化目標函數Z來優化，Z的計算公式為

(4)

對目標函數建立對應的約束條件:

1)通信光鏈路處于正常狀態下時,通信業務節點對光連接的需求Dπ計算公式為

(5)

2)電力通信網絡中光鏈路的保護容量須保證在任何故障條件下的受損恢復。其中，波長信道總容量的計算公式為

(6)

3)針對電力通信網絡中任意的故障狀態，通信業務節點對其中的受損光連接將依據預先設定的恢復比例進行路由保護，使網絡得到恢復，其中，有限光連接的計算公式為

我老伴上個月做了胃腫瘤切除手術，后續一直需要化療，身體較為虛弱，除了營養補充外，治療康復期間該怎樣鍛煉身體？吃哪些食物補充營養呢？

(7)

式中：Ω(π，r，s)為網絡鏈路l(l∈L)處于s(s∈S)狀態時的候選光路由集合。其中，設定Ω(π，r，s)中針對0和1的取值規律為

(8)

式中:Fs為在當前網絡狀態下的故障部件集合,pπ為節點處于π(π∈∏)條件下所對應的源節點和宿節點集合,N為電力通信網絡中的業務節點集合。

4)電力通信網絡業務節點對應的工作和保護路由均承載著一定的非負數流量：

(9)

在上述優化目標函數中，業務節點的工作容量和保護能力都在一定的函數影響范圍內，即對一條線路的保護不允許使用相鄰鏈路的工作波長通道，甚至在那些通道中工作節點所在的光連接在失敗情況下，也要維持這樣相對的分離關系，在光鏈路上使用波長資源，根據冗余釋放理論，可將受損光學連接在經過原始正常鏈路條件下的波長信道完整的釋放，以起到對電力通信網絡的保護容量。因此，鏈接的物理波長通道不會被設置為只能在工作的光路上使用，也可以在保護光路上使用，這樣的通信信道保護方式可有效降低光鏈路中的波長信道需求。波長的容量分配結果計算公式為

(10)

電力通信網絡的鏈路故障保護通常針對受到光鏈路故障影響的光連接，需要通過對故障模式進行切換來完成對應的節點故障處理，鏈路節點故障保護處理如圖1所示。

由圖1可知，在業務節點B發生故障的情況下，所有經過該節點的通信光連接都將會被切斷，而與業務節點B相鄰的A、C這2個節點可以跳過故障節點，并重新構建單個虛擬光鏈路A—C。重建過程中將業務節點B處的故障有效地轉換成虛擬光鏈路A—C的故障，在鏈路保護機制下可完成對所有受損光連接的恢復，針對受損光連接的保護需要通過虛擬鏈路對路由進行標記，并從端點開始執行保護。

在鏈路故障保護模型下，對電力通信進行光傳送網絡保護，在特定的保護容量下完成故障保護需求優化，優化函數與公式(4)相同。

對故障網絡鏈路建立相應的約束條件：

2)正常狀態下的電力通信光鏈路中，其對應的波長信道必須能容納故障鏈路路由下承載的所有流量，即

(11)

3)電力通信網中的故障光鏈路發生中斷時，已經發生故障的光連接遵循預先設定好的恢復比率，在對應的保護鏈路上完成故障保護，其中，有限光連接的計算公式為

(12)

4)電力通信網中的業務節點需要對不同工作路由和傳輸鏈路保護路由具備一定的流量承載力，流量不能是負數，此時設定

(13)

2.2 算法實現流程

算法的最終目的就是在一定的網絡可靠度下，確保被保護鏈路中各鏈路重要性之和達到最大值時，找到數量最少的安全鏈路數目。

在保護某一條鏈路時，對該鏈路進行可靠度分析，如果該可靠度已經達到提前設定好的要求，那么在所有滿足條件的保護鏈路中，選擇其中最重要的一條，作為受保護的鏈路。

如果被保護的一條鏈路達不到規定的網絡可靠度，則再計算針對2條鏈路進行保護的可靠度，并與規定的網絡可靠度進行比較。在滿足網絡可靠度的情況下，選擇2個鏈路重要性總和最大的保護鏈路作為受保護鏈路。

如果在上述情況下仍然無法達到規定的網絡可靠度,則需要再添加一個新的保護鏈,依次進行選擇,直到選擇出能夠達到網絡可靠度的一組保護鏈。

算法具體步驟：

1)針對電力通信網絡中的任意一條鏈路進行保護計算，同時計算其對應的網絡可靠度。

2)將計算得到的網絡可靠度與預先設定好的可靠度進行對比，若計算結果大于等于設定的可靠度，則保留該條鏈路，同時計算該條鏈路的重要度，當不同情況下均能夠滿足可靠度要求時，計算得到對應的鏈路重要度集合，從重要度集合數據中挑選出最大值，再將該條鏈路設定為保護鏈路。

3)若計算結果小于設定的可靠度，此時計算通信網絡中任意2條鏈路的網絡保護可靠度。

4)將上一步得到的2條鏈路的網絡保護可靠度與設定可靠度進行對比，當大于等于設定可靠度時，將這2條鏈路記錄下來。同時計算出這2條鏈路的重要度之和；當不同情況下的鏈路符合可靠度要求時，計算得到鏈路重要度的集合，選擇可靠度最大且滿足保護模型約束的鏈路保護方案，此時將方案中包含的鏈路作為最終的保護鏈路。

5)當小于設定可靠度時，進一步計算保護任意3條鏈路條件下對應的網絡可靠度，以此類推，直到找到滿足可靠度條件的保護鏈路。

3 實驗分析

本文建立一個實驗網絡模型，模型中共具備9個業務節點和17條傳輸鏈路。圖2表示了共享風險鏈路組的實際狀況，從中隨機挑選出6個共享風險鏈路組并用雙箭頭虛線標注出來，通過鎖定箭頭所指來確定不同的雙向鏈路。例如，風險1將鏈路8→7和8→1綁定成共享風險，0→6這條鏈路同時存在風險5和風險6中，對鏈路進行約定；當鏈路0→6發生故障時,5→6及0→8這2條鏈路都會受到影響,鏈路5→6與0→8之間關系應該屬于不同保護區,才能有效地保證單獨共享風險鏈路組,所配置的保護區需要完成針對鏈接0→6、5→6、0→8這3條鏈路的故障保護。

由圖2(a)可知,包含的6個共享風險鏈路組中共存在2個三重故障保護,分別是1→8、8→7、7→6這3條鏈路。實驗過程中,通過圖2(b)～(d)對不同情況進行詳細說明。在圖2(b)中，pc1和pc2分別表示逆時針和順時針方向，鏈路7→6、7→8及4→3均屬于其中，4→3與4→7這2條鏈路屬于共享風險關系，無法實現對鏈路4→3的故障保護，且7→6和7→8鏈路在故障保護算法中也應進行分離處理。通過圖2(b)中逆時針和順時針2個不同方向的路徑保護，分別實現了對7→6和7→8這2條鏈路的故障保護。

由圖2(b)～(d)可知,pc3能夠很好地管理所有通信網絡的業務節點,因而可將其看作是任意鏈路的跨接鏈路,此時根據實驗網絡的實際情況,利用所提故障保護算法得到針對全部鏈路的保護,結果見表1。

表1 實驗網絡的鏈路保護分析結果

由表1可知,實驗網絡中包含的每條鏈路無論是從哪個方向出發,在算法下都能得到很好的保護,基本實現了對單鏈路故障的100%保護。

針對不同連接請求狀態,使用共享鏈路保護策略(文獻[1]方法)、故障業務恢復算法(文獻[2]方法)和本文所提算法對鏈路進行故障保護。在通信網絡鏈路容量受限的情況下,假設電力通信網絡中不存在排隊現象,當網絡鏈路的連接請求被拒絕時,這條請求也隨即會被刪除,但接受請求的情況下則不會輕易終止。3種算法的保護冗余度分析結果如圖3所示。

由圖3可知,3種算法的保護冗余度指標會隨著請求連接數量的增加逐漸縮小,但文獻[1]的方法鏈路保護策略指標數最高。由于保護冗余度主要描述通信網絡中故障保護鏈路與正常作業鏈路間的實際比值,這一指標過高說明使用的保護策略影響到了正常作業鏈路運行;文獻[2]算法的保護冗余度由100%逐漸降低至80%,雖然能有效地保證網絡的正常作業,但同樣影響作業效率;本文所提算法的保護冗余度最低,證明基于波分復用能有效地解決通信鏈路受損后的重新組合問題,故障保護機制并不影響網絡的正常運行,效果較好。

4 結語

針對電力通信網絡中線路保護問題,本文提出基于波分復用算法對電力通信網絡鏈路模型進行分析,對路由和波長進行重新分配,在不同限度防護下掌握鏈路情況;對已知網絡的可靠度進行分析,在網絡拓撲節點中篩選出具有較高重要性的鏈路集進行保護。經過實驗證明,本文所提算法對電力通信網鏈路故障保護的效率高,且保護冗余度低,不影響網絡的正常運行。